輸電線路雷電繞擊評估方法分析及展望

張瑞博，邵開山

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司，內(nèi)蒙古烏蘭浩特 137499）

0 引言

隨著“西電東送”發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深化，超高壓輸電方式成為目前主要的一種輸電途徑，但是輸電線路的穩(wěn)定性難以得到保障，目前出現(xiàn)的輸電線路跳閘故障，多數(shù)是雷電繞擊引起的。因?yàn)檩旊娋€路大多建設(shè)在高山曠野處，并且各個(gè)輸電線路之間縱橫交錯(cuò)，容易受到雷電繞擊的影響，影響超高壓輸變電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 輸電線路雷電繞擊評估方法存在的問題

1.1 雷電參數(shù)

1.1.1 地閃密度

某城市、地區(qū)的落雷程度就是地閃密度，地閃密度越大，該地區(qū)的跳閘頻率就越大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。以往的輸電線路雷電繞擊評估過程中，受到測量手段等各方面客觀因素的限制，只能使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，使用這種估算方法，繞擊跳閘的頻率存在較大的差異性，對輸電線路雷電繞擊評估帶來不確定性。

在估算地閃密度時(shí)，雷電日的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)通常是每個(gè)城市都分別有一個(gè)，這樣的估算方法會(huì)導(dǎo)致其參數(shù)估算得到的數(shù)據(jù)非常相近，雖然可以將某個(gè)城市的雷電活動(dòng)水平良好地反映出來，但是卻不能體現(xiàn)出雷電活動(dòng)存在的差異。在進(jìn)行輸電線路防雷工作時(shí)，一些桿塔地區(qū)的地閃密度會(huì)遠(yuǎn)高于平均地閃密度，因此，應(yīng)格外重視桿塔地區(qū)的雷電防護(hù)工作。

隨著近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，雷電定位系統(tǒng)逐漸得到完善，技術(shù)愈發(fā)成熟，輸電線路雷電繞擊評估方法得到的結(jié)果越來越精確，地閃密度的統(tǒng)計(jì)方式越來越精細(xì)。雷電定位系統(tǒng)主要是通過測量某地區(qū)雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁波獲取時(shí)間、位置等信息，以此達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的，并了解到該區(qū)域的雷電流幅值，隨著雷達(dá)定位的精確度不斷提升，部分區(qū)域的探測效率已經(jīng)得到明顯提升，精確度有所進(jìn)步，輸電線路走廊地閃密度分布情況越來越準(zhǔn)確。

1.1.2 雷電流幅值概率分布

在輸電線路建設(shè)早期，通常是在高建筑物上安裝雷電流測量裝置，以此測量區(qū)域內(nèi)的雷電流幅值，然后通過對數(shù)百組雷電流幅值的數(shù)據(jù)擬合，得到該區(qū)域內(nèi)的雷電流幅值概率以及雷電流幅值概率密度的分布曲線。雷電定位系統(tǒng)的完善使得雷電探測效率有效提升，并提供了新的雷電流幅值概率分布統(tǒng)計(jì)樣本思路，使得輸電線路雷電流數(shù)據(jù)樣本更為豐富。

1.2 雷電繞擊模型

目前輸電線路雷電繞擊評估方法主要有以下3 種。

1.2.1 規(guī)程法

規(guī)程法評估方法是輸電線路雷電繞擊計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，是依據(jù)多年的電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，以及放電試驗(yàn)得出的一種評估方法。規(guī)程法的輸電線路繞擊概率計(jì)算有兩種公式，山區(qū)與平原地區(qū)使用不同的公式進(jìn)行計(jì)算。規(guī)程法的經(jīng)驗(yàn)公式較為簡單，計(jì)算使用也較為便捷，但是由于其公式與繞擊物理過程無關(guān)，所以將其應(yīng)用于工程中時(shí)會(huì)具有一定的局限性。

1.2.2 電氣幾何模型

電氣幾何模型的輸電線路雷電繞擊評估方法的公式為rc=AIb，其中rc為雷電擊距，A 與b 均為常數(shù)。電氣幾何模型的中心思想是利用擊距進(jìn)行輸電線路雷電繞擊問題的分析，首先需要計(jì)算出導(dǎo)線的擊距，以及避雷線的擊距，并將導(dǎo)線與避雷線為圓心，兩者的擊距作為半徑畫圓，若是在兩者畫圓的范圍內(nèi)有雷電落下，就是由雷電繞擊發(fā)生。電氣幾何模型的雷電繞擊評價(jià)方法雖然較為簡便，但是由于其將雷擊過程進(jìn)行了簡化，導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用時(shí)缺乏一定的適用性與準(zhǔn)確性，所以還需要進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

電氣幾何模型的改進(jìn)需要注意地形、檔距、內(nèi)弧垂影響，以及氣象環(huán)境因素等方面的影響，經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，輸電線路的正常運(yùn)行會(huì)受地形的影響，因此，在進(jìn)行電氣幾何模型優(yōu)化的時(shí)候，需要先評估地形，充分了解地形情況，尤其對于一些建設(shè)在山區(qū)的輸電線路，需要分別考慮到山頂、山坡、山腳與山頂這4處位置的地理環(huán)境，針對性地分析其輸電線路存在的繞擊問題。

由于區(qū)域內(nèi)的桿塔間導(dǎo)線與避雷線對地高度會(huì)受弧垂影響存在一定的差距，所以在進(jìn)行輸電線路雷電繞擊評估時(shí)，為了保證其評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要將檔距進(jìn)行分段，確保其精細(xì)度，使其充分反映區(qū)域內(nèi)繞擊耐雷水平。

由于輸電線路大多建設(shè)在曠野或高山處，所以很容易受氣象環(huán)境的影響，其中風(fēng)偏角的存在會(huì)影響導(dǎo)線與避雷線的位置，進(jìn)而導(dǎo)致輸電線路的防繞擊性能存在一定的欠缺。為了修正電氣幾何模型，可以通過建立先導(dǎo)仿真模型的方法推算相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式，或者通過對雷電回?fù)綦娏鞣逯蹬c先導(dǎo)電壓關(guān)系的分析，得出雷電擊距的計(jì)算公式[1]。

1.2.3 先導(dǎo)模型法

雷云電荷積聚后會(huì)下行先導(dǎo)向地面發(fā)展，在其逐漸接近地面的過程中，地面的電場也會(huì)隨之增強(qiáng)，從而導(dǎo)致地面的一些物體的產(chǎn)生上行先導(dǎo)，然后兩者相對發(fā)展的過程中產(chǎn)生回?fù)簟?/p>

2 對目前輸電線路雷電繞擊評估方法的展望

雖然近幾年對輸電線路雷電繞擊評估方法的研究不斷深入，但是卻依然缺乏精細(xì)化的評估模型，對于輸電線路雷電繞擊輸電線路的物理過程還不能良好的反應(yīng)出來。為了滿足人們的用電需求，輸電線路建設(shè)越來越多，超高壓輸電線路的雷電繞擊跳閘事故也越來越多，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，制約國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，因此，為了改變這一現(xiàn)狀，需要加強(qiáng)對于輸電線路雷電繞擊評估方法的研究。

2.1 輸電線路雷電繞擊評估方法面臨的機(jī)遇

2.1.1 對于長空氣間隙放電試驗(yàn)的研究

在超高壓輸電線路前期建設(shè)的時(shí)候，輸電線路的設(shè)計(jì)主要是依據(jù)長空氣間隙放電試驗(yàn)結(jié)果，且由于其余雷電放電存在一定的相似性，其試驗(yàn)結(jié)果為雷電屏蔽模型提供了大量的理論支持，推動(dòng)了輸電線路雷電評估方法的發(fā)展。由于以往的雷電繞擊評估方法會(huì)受測量手段的限制，導(dǎo)致其評估結(jié)果存在一定的不準(zhǔn)確性，不能準(zhǔn)確觀察并測量長空氣間隙放電過程中的各項(xiàng)物理參量，給長空氣間隙放電機(jī)理的研究進(jìn)展帶來極大的阻礙。為了保證輸電線路雷電繞擊評價(jià)的準(zhǔn)確性，需要保證長空氣間隙放電過程的完整性，并確保電子密度、離子密度，以及電場變量的準(zhǔn)確性。隨著近幾年攝像技術(shù)的快速發(fā)展，快速存儲(chǔ)技術(shù)逐漸趨近于成熟，ICCD 超高速照相機(jī)的最小曝光時(shí)間也有所改善，已經(jīng)達(dá)到了ns 級別，可以觀測到瞬態(tài)的流注放電過程[2]。除此之外，光電晶體Pockels 效應(yīng)的電廠測量技術(shù)不斷發(fā)展也為輸電線路雷電繞擊評估帶來極大的影響，并通過對各種儀器的利用實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀測，發(fā)現(xiàn)光學(xué)直徑的變化規(guī)律。

2.1.2 仿真研究

通過試驗(yàn)?zāi)軌蛴行а芯块L空氣間隙放電，但是僅通過現(xiàn)有的試驗(yàn)方法進(jìn)行研究并不能實(shí)現(xiàn)突破創(chuàng)新，所以需要通過創(chuàng)新試驗(yàn)解釋長間隙放電的微觀機(jī)理，并獲得雷電先導(dǎo)放電通道中的帶電粒子密度分布微觀參數(shù)，局部區(qū)域電場強(qiáng)度分布微觀參數(shù)等。除此之外，通過試驗(yàn)進(jìn)行研究能夠更為深入地了解長空氣間隙放電的過程，并通過實(shí)驗(yàn)獲取微觀特征量，對長空氣間隙放電進(jìn)行解釋[3]。

在以往的試驗(yàn)研究中，對于輸電線路雷電繞擊評估方法的研究經(jīng)常會(huì)受到物理模型的影響，且由于其模型的不確實(shí)性，導(dǎo)致對于長空氣間隙放電仿真研究多數(shù)以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑橹?，確保其評估方法的準(zhǔn)確性，使用簡單的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行試驗(yàn)會(huì)更易于操作，但是在試驗(yàn)過程中受算法限制，導(dǎo)致其模型的數(shù)值仿真只能局限于mm 級，不能擴(kuò)大尺度。

隨著近幾年計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展，流體計(jì)算算法越來越精確，分辨率也越來越高，可使用的計(jì)算方程也越來越多，為大規(guī)模粒子之間相互作用的計(jì)算提供了更多的技術(shù)支持。除此之外，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及也為長空氣間隙放電仿真研究提供了更好的條件與技術(shù)支持，解決了以往試驗(yàn)中的一些問題。

2.1.3 雷電繞擊評估模型促進(jìn)

對于長空氣間隙放電的仿真研究與實(shí)驗(yàn)為輸電線路雷電繞擊模型假設(shè)提供重要的參考，在建立繞擊評估模型的時(shí)候，需要考慮到自然雷電與長空氣間隙放電存在的差異。

雖然自然雷電觀測在實(shí)際研究實(shí)驗(yàn)過程中較為困難，但是其卻能反映出最真實(shí)的雷電發(fā)展過程，并且隨著各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，雷電放電過程可以利用各種檢測手段獲取，光學(xué)、磁場與電場等監(jiān)測手段都可以獲得更準(zhǔn)確的雷擊物理過程[4]。

相比于自然雷電觀測，人工引雷實(shí)驗(yàn)更容易進(jìn)行觀測與參數(shù)檢測，因?yàn)槠淇梢灾贫〞r(shí)間與地點(diǎn)，很多的雷電參數(shù)都可以通過其進(jìn)行獲取。且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，在未來輸電線路雷電繞擊評估研究將會(huì)越發(fā)成熟，對于雷電發(fā)展過程能夠進(jìn)行更為準(zhǔn)確的監(jiān)測。獲得更為寶貴的數(shù)據(jù)信息，以此將雷電繞擊評估模型進(jìn)行完善。

2.2 輸電線路雷電繞擊評估方法的發(fā)展趨勢

隨著對長空氣間隙放電試驗(yàn)研究與仿真研究的不斷深入，對于雷電發(fā)展過程將會(huì)越來越準(zhǔn)確，各種物理參量的測量也會(huì)愈發(fā)精細(xì)，同時(shí)將自然雷電試驗(yàn)研究與人工引雷試驗(yàn)研究相結(jié)合能夠獲得更有效的輸電線路雷電繞擊評估方法，使得其評估模型更為準(zhǔn)確。除此之外，對于先導(dǎo)發(fā)展模型的研究需要重視縮小其計(jì)算量，減少其工作耗時(shí)，以此提升工作效率[5]。

3 結(jié)束語

為了保證國民經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展，需要重視超高壓輸變電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免雷擊跳閘事故的發(fā)生，因此，需要相關(guān)專業(yè)人員分析超高壓輸變電系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)跳閘事故的原因，并提出針對性治理與防護(hù)方法，減少由于雷電繞擊產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。